裝配式鋼結構設計實例分析

李 斌

臨沂市建筑設計研究院有限責任公司 山東 臨沂 276000

1 概述

裝配式建筑是指結構系統、外圍護系統、設備與管線系統、內裝系統的主要部分采用預制部品部件集成的建筑。裝配式鋼結構建筑是指建筑的結構系統由鋼部（構）件構成的裝配式建筑。相對于普通的混凝土結構，裝配式鋼結構建筑自重較輕、綠色環保，是一種非常好的結構形式，但外墻體系與傳統建筑存在差別，較為復雜，防火和防腐問題也需要引起重視。

2 裝配式鋼結構建筑結構選型

裝配式鋼結構建筑在方案設計時需要預先選擇結構形式，目前常用的結構形式有以下幾種：

1） 框架結構。此類結構形式計算方便，施工也相對容易，但抗側力體系剛度相對弱一些，在高烈度地區，地震荷載計算下的位置不容易控制，梁柱截面可能會大一些。

2） 鋼管混凝土結構。此類結構多采用鋼管混凝土柱、型鋼梁作為主要受力構件。這種結構形式的優點是抗側力體系剛度較純鋼框架大，鋼柱的用鋼量要小一些，但由于柱內要填充混凝土，對施工質量的要求相對較高。

3） 框架支撐結構，可采用普通型鋼支撐或者屈曲約束支撐（BRB）。這種結構形式對位移的控制更嚴，因而能夠更好的控制內外墻板在風荷載和地震荷載下的變形。但由于加支撐的位置會影響建筑要求，在選擇的時候會受到一定的限制。

4） 采用減隔震技術的鋼結構。鋼結構配合減隔震裝置使用，可更好的控制地震荷載的影響，在今后也是裝配式鋼結構建筑應用的一個方向。

3 裝配式鋼結構在結構設計中的常見問題及對策

1） 抗震等級及地震加速度的選取。裝配式鋼結構主要應用于學校、醫院等公共建筑，而此類建筑中根據規范要求屬于重點設防類的，其抗震等級應按比本地區提高一度的抗震設防烈度選取。同時，對于學校、醫院建筑，國家也有相關文件明確要求，其設計基本地震加速度應按比本地區提高半度的要求選取。對于同屬于教育建筑的大學建筑，根據規范理解，其抗震等級仍可按本地區抗震設防烈度選取抗震等級，但其地震加速度的選取仍應按文件要求的比本地區提高半度的要求選取。

2） 設計規范的選用。不同規范的要求可能不同，設計時要注意規范指標的選中。如根據《建筑抗震設計規范》，多高層鋼結構的彈性層間位移角限值為1/250，但根據《鋼管混凝土結構技術規范》的要求，鋼管混凝土框架結構的彈性層間位移角限值為1/300。同理，采用減隔震設備的結構也需滿足減隔震規范的要求。

3） 鋼結構設計的細節問題。由于裝配式鋼結構項目的梁柱節點等部件大多數都是工廠加工后現場安裝，其對設計細節的要求就更加嚴格。

下面舉一個簡單的例子，圖1所示的外包柱腳是鋼結構中的常用形式，在短柱縱筋的頂部通長都設有彎鉤，為了節省造價，此短柱截面通長不會做的過大。現場安裝的時候會先澆筑基礎混凝土及預埋短柱縱筋，若柱腳底板比短柱略小，這時就可能產生柱腳安裝不進鋼筋籠的問題，又由于短柱縱筋一般直徑較大，想將縱筋扳一個角度再放鋼柱腳也非常困難。

圖1 外包式柱腳詳圖

4） 使用鋼筋桁架樓承板時鋼梁的結構標高問題。裝配式鋼結構往往選用鋼筋桁架樓承板作為結構樓板，不同板厚的兩塊板在拼板處的鋼梁需要考慮板頂標高的問題。

5） 鋼管混凝土柱材料及施工要求。鋼管混凝土柱內的混凝土宜采用自密實混凝土，應在鋼管壁適當位置留有足夠的排氣孔。若有異常，可采用超聲波對混凝土進行檢測。對澆筑不密實的部位，可采用鉆孔壓漿法進行補強，然后將鉆孔進行補焊封固。

6） 裝配式鋼結構建筑的建筑外立面宜規則、平直，盡量減少曲線弧面，以減小外墻板安裝及拼接的難度，也有利于建筑防水做法。

4 墻板的選用及節點要求

裝配式鋼結構建筑經常選用蒸壓輕質加氣混凝土板(ALC板)或類似產品作為建筑的內外墻板。ALC板作為填充墻用于外墻時包括內嵌和外掛的形式。

ALC板作為圍護墻體使用，是以兩端與主體結構簡支連接參與工作。墻板兩端采用U型卡、直角鋼件法或專用連接件與螺栓等形式與主體結構連接。應該注意的是內外墻墻板與主體結構的連接方式是不一樣的，外墻不能簡單地以U型卡的方式連接。

當單層條板隔墻采取接板安裝且在限高以內時，豎向接板不宜超過一次，且相鄰條板接頭位置應至少錯開300mm。條板對接部位應設置連接件或定位鋼卡，做好定位、加固和防裂處理。

墻板門窗洞口需要采用角鋼、扁鋼等方式加強。加強角鋼或扁鋼兩端與鋼梁需做有效連接。外墻門窗洞口的加強角鋼或扁鋼及兩端的連接焊縫等需做風荷載下的承載力驗算。

5 實例分析

本工程為一地上五層的高校教育建筑，結構形式采用鋼管混凝土框架結構，設計基本地震加速度為8度(0.20g)，調整后的設計基本地震加速度為8度(0.30g)，設計地震分組為第二組，場地類別為II類，結構抗震等級按8度區的要求取為二級。本工程采用獨立基礎。柱腳采用外包式剛接柱腳，在正負零位置設有鋼筋混凝土地梁層。本工程的建筑平面如圖2所示。

圖2 建筑平面圖

本工程結構柱為方形和圓形鋼管混凝土柱，鋼梁主要采用H型鋼梁，板采用鋼筋桁架樓承板。鋼結構材料為Q345B，柱內填充C40自密實混凝土，板、基礎混凝土強度等級為C30。

在結構選型的時候，曾對本工程進行過三種結構形式的試算，現比較分析如下：

表1 結構選型分析

從表1數據可以得知，鋼結構框架結構的柱截面和壁厚及用鋼量最大，位移指標也較大。鋼管混凝土框架結構和鋼框架-偏心支撐結構造價及位移指標比較接近，但考慮到建筑要求，最后選擇鋼管混凝土框架結構。

6 結論及展望

裝配式鋼結構建筑在結構選型時，應結合建筑要求，選擇合適的結構形式，并正確選擇結構設計參數。結構設計過程中，應重視鋼結構的節點的細部構造及內外墻墻板的節點設計。隨著裝配式鋼結構建筑的應用發展，在高烈度地區，裝配式鋼結構與減隔震技術的結合應用也將成為一個新的方向。